氧化劑對(duì)潛育性稻田土壤微生物生物量及有效養(yǎng)分的影響

氧化劑對(duì)潛育性稻田土壤微生物生物量及有效養(yǎng)分的影響潛育性稻田土壤由于長(zhǎng)期淹水，常年地處低洼、排水不良造成還原物質(zhì)積累，雖然本身有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分含量高，但可被利用的養(yǎng)分含量低，土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)較慢，有效養(yǎng)分供應(yīng)不足［1-2］。微生物是土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的重要參與者，而長(zhǎng)期淹水使?jié)撚缘咎锿寥劳笟庑圆?，缺少氧氣，致使土壤微生物代謝活性較低［3-4］，這很可能是導(dǎo)致潛育土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)慢且還原性有機(jī)物質(zhì)積累的關(guān)鍵環(huán)境因子。通過(guò)農(nóng)藝及工程措施提高土壤微生物生物量及活性，對(duì)于加快潛育性稻田土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)具有一定的作用。前人對(duì)潛育性稻田土壤的改良做過(guò)很多研究，包括壟作、濕潤(rùn)灌溉、冬季曬垡、合理施肥等［5-6］，這些措施對(duì)潛育性稻田土壤均有一定的改良效果，但仍存在較大局限性，人力物力耗費(fèi)大，且不能從根本上解決潛育性稻田土壤因處于特殊地勢(shì)長(zhǎng)期淹水而形成的有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)慢、還原物質(zhì)過(guò)度累積的狀況。過(guò)氧化物具有釋放氧的特性，有研究表明，過(guò)氧化物（過(guò)氧化鈣、過(guò)氧化鎂等）可以增加土壤溶氧量，提高微生物活性，對(duì)于潛育性稻田改良具有較好的效果，但釋氧較快，持續(xù)效果短暫。董春華等研究表明，以粉末CaO2為基質(zhì)制成緩釋氧化劑，很大程度上延長(zhǎng)了CaO2釋氧時(shí)間。由此可見(jiàn)，延長(zhǎng)過(guò)氧化物釋放氧的時(shí)間，成為調(diào)控潛育性稻田有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒虒?duì)CaO2進(jìn)行造粒，并以環(huán)境友好型惰性材料將其包膜，所得到的造粒CaO2能否減緩其氧氣釋放、增加過(guò)氧化物可持續(xù)供氧能力、改善潛育性稻田土壤環(huán)境、促進(jìn)養(yǎng)分釋放還有待進(jìn)一步研究。因此，本試驗(yàn)擬通過(guò)培養(yǎng)粉末和造粒CaO2,研究其對(duì)潛育性稻田土壤微生物生物量及養(yǎng)分釋放的影響，旨在為潛育性稻田改良及合理施肥提供參考。1材料與方法供試材料供試土壤于2016年4月26日采自湖南省瀏陽(yáng)市（113°19'00.9"E,27°58'07.1"N）典型潛育性稻田。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16.7?17.6℃,年平均降水量1552mm。采樣田塊為發(fā)育于板頁(yè)巖的潛育性稻田，耕層潛育明顯，土壤呈青灰色。采集土壤表層0—20cm,剔除植物根系和石塊等，取1kg左右過(guò)2mm篩，用于土壤理化性質(zhì)分析；其余土壤淹水2cm（保持還原性）備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值4.69,有機(jī)質(zhì)含量22.56g/kg,全氮含量1.15g/kg,Oslen磷含量3.61mg/kg,交換性鉀含量31.81mg/kg,還原物質(zhì)總量21.67cmol/kg,Fe2+含量0.61cmol/kg,Mn2+含量76.63mg/kg。試驗(yàn)^計(jì)試驗(yàn)選取2種氧化劑［粉末CaO2（含75%CaO2）和造粒CaO2（含31.8%CaO2）］，設(shè)置3種濃度（含氧量分別為0.002、0.022、0.222g）,并設(shè)置與氧化劑中相同含鈣量的氧化鈣（含95%CaO）及不添加任何物質(zhì)的土壤作為對(duì)照（CK）,總共10個(gè)處理。稱(chēng)取200g（干土計(jì)）的土壤于高20cm、直徑7cm的PVC管中，加去離子水至淹水2cm,預(yù)培養(yǎng)7d,按以上試驗(yàn)處理中的設(shè)置，添加不同量氧化劑于PVC管中，玻璃棒攪勻，并用注射器加入一定量去離子水洗凈殘余土壤于管內(nèi)，使之淹水3cm,將PVC管置于長(zhǎng)2.5m/寬0.8m的培養(yǎng)槽中。培養(yǎng)槽內(nèi)填充一定量的土壤并淹水，使之與PVC管內(nèi)土壤、淹水高度一致，將培養(yǎng)槽置于室外，敞口培養(yǎng)（本試驗(yàn)于2016年6月1日開(kāi)始培養(yǎng)）。于培養(yǎng)的第5、第10、第30、第60、第100天（即2016年6月5日、2016年6月10日、2016年6月30日、2016年7月30日、2016年9月8日）采用破壞性取樣（培養(yǎng)過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)的水分）,每次取樣每個(gè)處理重復(fù)4次。保持樣品的新鮮狀態(tài),并于中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)盡快測(cè)定微生物生物量及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，取部分土壤風(fēng)干備用，另一部分土壤于4℃保存。測(cè)定方法理化性質(zhì)土壤pH值用pH計(jì)（梅特勒F20）測(cè)定，以水為浸提劑，水土質(zhì)量比為2.5:[KG-*3]1,土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定，土壤全氮含量采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定，Oslen磷含量用0.5mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，交換性鉀含量用1mol/LNH4OAc浸提-原子吸收法測(cè)定。還原物質(zhì)總量采用硫酸鋁浸提-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，F(xiàn)e2+含量采用硫酸鋁浸提-鄰菲羅啉比色法測(cè)定，Mn2+含量采用硫酸鋁浸提-高碘酸鉀比色法測(cè)定。微生物生物量磷用三氧甲烷熏蒸-0.5mol/LNaHCO3提取-鉬銻抗比色法測(cè)定；微生物生物量氮用三氧甲烷熏蒸-0.5mol/LK2SO4提取-流動(dòng)注射氮分析儀法測(cè)定[11-13]。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用0.5mol/LK2SO4浸提鮮土樣，濾液用流動(dòng)注射分析儀AA3（德國(guó)SEAL）測(cè)定。數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)均采用Excel2003進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS11.0軟件進(jìn)行，圖用Origin8.5作圖軟件完成。[BT1#]2結(jié)果與分析氧化劑對(duì)微生物生物量氮含量的影響對(duì)微生物生物量氮的影響圖1為不同濃度氧化劑下潛育性稻田土壤微生物生物量氮的濃度變化。第5天時(shí)，低濃度粉末CaO2和造粒CaO2相差較?。▓D1-A）,而中、高濃度粉末CaO2處理微生物生物量氮高于造粒CaO2處理（圖1-B、圖1-C）。3種氧水平下，粉末CaO2在第10天時(shí)微生物生物量氮達(dá)到高峰，顯著高于造粒CaO2處理，隨后快速下降接近平穩(wěn)。而造粒CaO2前期微生物生物量氮呈上升趨勢(shì)，在第60天時(shí)達(dá)到高峰，顯著高于粉末CaO2處理，隨后有所下降，但仍高于粉末CaO2處理。氧化劑對(duì)銨態(tài)氮含量的影響由圖2可以看出，低、中濃度2種氧化劑處理的土壤銨態(tài)氮含量趨勢(shì)一致（圖2-A、圖2-B）。從第5天至第30天，各處理銨態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì)，第60天明顯增加，之后又呈下降趨勢(shì)。在第5天時(shí)，3種濃度氧水平下粉末CaO2處理的銨態(tài)氮含量高于其他處理。第100天時(shí)，低、中濃度造粒CaO2處理土壤銨態(tài)氮含量高于粉末CaO2處理；而高濃度氧水平下，從第10天到第100天造粒CaO2土壤銨態(tài)氮含量始終高于粉末CaO2處理（圖2-C）。氧化劑對(duì)硝態(tài)氮含量的影響與銨態(tài)氮含量相比，不同氧化劑處理對(duì)潛育性稻田土壤硝態(tài)氮含量的影響截然不同（圖3）。在第5天時(shí)，低濃度粉末CaO2處理土壤硝態(tài)氮含量略高于造粒CaO2處理（圖3-A），但其他所有處理均表現(xiàn)為造粒CaO2處理土壤硝態(tài)氮含量高于粉末CaO2處理。氧化劑對(duì)微生物生物量磷及Oslen磷含量的影響氧化劑對(duì)微生物生物量磷含量的影響圖4為不同濃度氧化劑水平下潛育性稻田土壤微生物生物量磷濃度變化。低、中、高粉末CaO2處理的土壤微生物生物量磷分別于第30、第10、第10天達(dá)到高峰，而造粒CaO2處理分別于第60、第10、第30天達(dá)到高峰。粉末CaO2前期釋氧效果較造粒CaO2好；3種不同氧化劑濃度下，土壤微生物生物量分別于第60、第10、第5天，表現(xiàn)為造粒CaO2處理的土壤微生物生物量磷明顯高于粉末CaO2處理。由此可以看出，造粒CaO2處理對(duì)微生物生物量磷含量的促進(jìn)作用在后期比較明顯。氧化劑對(duì)Oslen磷含量的影響低、中濃度氧化劑水平下，第5天到第60天粉末CaO2處理和造粒CaO2處理的土壤Oslen磷含量差異不顯著，而在第100天時(shí)，造粒CaO2處理的Oslen磷含量顯著大于粉末CaO2處理（圖5-A、圖5-B）。高濃度氧化劑水平下（圖5-C）各處理Oslen磷含量差異明顯，在第5天、第10天時(shí)，粉末CaO2處理的土壤Oslen磷含量大于造粒CaO2處理，且在第10天達(dá)到顯著水平。而在第30天之后，造粒CaO2處理的土壤Oslen磷含量大于粉末CaO2處理，其中在第100天時(shí)兩者差異達(dá)到最大。說(shuō)明粉末CaO2前期釋氧效果較好，而造粒CaO2釋氧量較粉末CaO2滯后。3討論潛育性稻田土壤長(zhǎng)期處于漬、冷、爛、閉的環(huán)境中，還原物質(zhì)含量過(guò)高，盡管有機(jī)和無(wú)機(jī)養(yǎng)分總量充足，但微生物活性低，周轉(zhuǎn)慢，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量低［15-16］。CaO2呈堿性，施入到土壤中與水結(jié)合生成氧氣及堿性物質(zhì)，可有效減少還原物質(zhì)累積［7,17］。此外，CaO2能夠有效改善酸性土壤pH值，優(yōu)化土壤環(huán)境。因此，CaO2對(duì)于潛育性稻田土壤的改良具有一定的意義。但有研究表明，CaO2釋氧速率較快，不足以維持水稻整個(gè)生長(zhǎng)周期所需，且對(duì)促進(jìn)土壤微生物活性及無(wú)機(jī)養(yǎng)分的釋放具有一定的局限性，周彥波等研究表明，粉末CaO2釋氧在第7天到達(dá)高峰，隨后呈快速下降趨勢(shì)；而緩釋氧化劑在第14天之后達(dá)到高峰，隨后較長(zhǎng)時(shí)間釋氧水平一直維持該速率。由此可見(jiàn)，不同形態(tài)CaO2釋氧特征截然不同，這可能是導(dǎo)致后續(xù)微生物過(guò)程及土壤養(yǎng)分釋放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。本研究結(jié)果顯示，2種氧化劑對(duì)潛育性稻田土壤環(huán)境都有一定的改善作用。與粉末CaO2相比，經(jīng)過(guò)工藝混合處理的造粒CaO2,對(duì)微生物生長(zhǎng)和養(yǎng)分釋放的促進(jìn)作用更持久。對(duì)于潛育性稻田土壤微生物的生長(zhǎng)及活性都依賴(lài)于氧的供應(yīng)量及持續(xù)性［21-22］。粉末CaO2可以迅速提高土壤溶氧量，使得微生物生物量快速增加，但隨后因缺乏持續(xù)供氧導(dǎo)致微生物活性回復(fù)到原來(lái)的較低水平，極大地限制了微生物將潛育性稻田土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為作物生長(zhǎng)所必需的有效養(yǎng)分的能力。本試驗(yàn)所用的造粒CaO2選取惰性材料，與CaO2混合，制備后性質(zhì)較為穩(wěn)定，施入土壤中釋氧速率穩(wěn)定而持久，微生物生長(zhǎng)及活性較高，有效地促進(jìn)了潛育性稻田土壤有機(jī)物質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分釋放。相對(duì)于土壤碳、氮、磷來(lái)講，微生物生物量碳、氮、磷屬于一種活性養(yǎng)分庫(kù)，其群落死亡后釋放出來(lái)的養(yǎng)分是土壤有效養(yǎng)分的主要來(lái)源之一［23-24］。各氧化劑對(duì)潛育性稻田土壤速效養(yǎng)分均有促進(jìn)作用。在高濃度氧水平下，相比于粉末CaO2,造粒CaO2更能促進(jìn)潛育性稻田土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及Oslen磷的釋放。這說(shuō)明造粒CaO2對(duì)潛育性稻田土壤在促進(jìn)微生物活性及養(yǎng)分釋放方面具有較好的應(yīng)用潛力。在培養(yǎng)前期粉末CaO2對(duì)微生物生物量氮、磷的影響效果優(yōu)于造粒CaO2，中后期以及高濃度造粒CaO2的影響效果優(yōu)于粉末CaO2,表明通過(guò)工藝造粒的CaO2能有效緩解CaO2因快速釋氧造成后期不能滿足土壤微生物活動(dòng)需氧的缺陷。針對(duì)這一現(xiàn)象，于實(shí)際應(yīng)用中，若單獨(dú)施用粉末CaO2,則應(yīng)在作物生長(zhǎng)中后期適當(dāng)補(bǔ)充養(yǎng)分;若單施造粒CaO2,則應(yīng)在作物生長(zhǎng)前期適當(dāng)補(bǔ)充養(yǎng)分，以達(dá)到作物生長(zhǎng)需要。高濃度氧化劑極大地促進(jìn)了潛育性稻田土壤微生物的活性。高濃度CaO2對(duì)土壤微生物生物量的促進(jìn)作用優(yōu)于低、中濃度CaO2氧化劑，進(jìn)一步說(shuō)明氧氣是潛育性稻田土壤微生物量的主要影響因子。低、中濃度氧化劑土壤Oslen磷含量的變化并不明顯，高濃度氧化劑顯著促進(jìn)了土壤Oslen磷的含量。說(shuō)明低、中濃度氧化劑釋放出的氧極大地促進(jìn)了土壤中微生物的活性，土壤中釋放出的Oslen磷并不能滿足土壤微生物活動(dòng)所需，以致于不能提高土壤本身Oslen磷的含量。而高濃度氧化劑相對(duì)于低、中濃度氧化劑水平下，氧較為充足，大大提高了潛育性稻田土壤中Osl